基于GIS的坡面地形因子提取與分析

王娜娜　徐珍　陳偉華

摘 要：該文基于GIS軟件和DEM數(shù)據(jù)，提取并分析一階、二階及復(fù)合坡面地形因子中的坡度、坡向、剖面曲率、地表粗糙度、高程變異系數(shù)5種地形因子。結(jié)果表明：榆中縣坡度變幅為0°～70.7213°；坡向分析中陽坡占總面積的45.04%，陰坡占53.87%；剖面曲率在0～4.90379范圍內(nèi)變化；地表粗糙度的變幅為1～4.39377；地形高程變異系數(shù)在0～0.0912272范圍內(nèi)變化。通過對(duì)該區(qū)域坡面地形因子的提取，分析在這些地形因子的作用下該區(qū)域水土流失與土壤侵蝕的趨勢(shì)，為榆中縣進(jìn)行水土保持定量研究提供科學(xué)依據(jù)。

關(guān)鍵詞：地形因子；GIS；坡面；DEM

中圖分類號(hào) S157 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A 文章編號(hào) 1007-7731（2017）12-0165-03

Absrtact：Based on the GIS and DEM data，five terrain factors，including slope，the slope direction，section curvature，surface roughness and coefficient of variation，are extracted and analyzed for the first order，two order and composite slope terrain factors. The results showed that the gradient of Yuzhong County was 0°～70.7213°，the sunny slope was 45.04% of the total area，the shade slope was 53.87%，the section curvature changed in 0～4.90379，the variation of surface roughness was 1～4.39377，the coefficient of variation varied within 0～0.0912272. Through the extraction of topographic factors in the area，the trend of water loss and soil erosion under the action of these terrain factors is analyzed，which provided scientific basis for the quantitative study of Yuzhong County soil and water conservation.

Key words：Terrain factors；GIS；Slope；DEM

地形分析是認(rèn)知地形環(huán)境的重要方式，地形因子的提取對(duì)水土流失、土地利用及生態(tài)評(píng)價(jià)研究具有重要作用，不同研究尺度下研究的地形因子不一。坡面地形因子是從定量角度出發(fā)來表征地貌形態(tài)特征的指標(biāo)，近幾年的研究表明，基于GIS軟件自動(dòng)從數(shù)字高程模型中提取區(qū)域地形因子等參數(shù)信息準(zhǔn)確簡(jiǎn)便[1]，因此區(qū)域地形地貌均可通過GIS軟件提取地形因子，以分析與表征區(qū)域內(nèi)地形地貌特征。

坡度與坡向是2個(gè)最為常用和重要的地形因子[2]。坡度影響土壤侵蝕與水土流失，坡度越大，水分的流失越多，土壤受侵蝕的可能性也越大，坡度較大區(qū)域土壤變得淺薄而貧瘠。坡向是決定地表接收陽光和重新分配太陽輻射量的重要地形因子之一，造成局部區(qū)域氣候特征的差異[3]；剖面曲率對(duì)區(qū)域土壤的凈侵蝕量或凈累積量造成直接影響；地形起伏度、地表粗糙度等因子反映地表復(fù)雜變化程度。地形因子能表示地形表面的基本特征，但往往很難用一種地形因子來準(zhǔn)確具體地表達(dá)地形特征[4]。為此，可將所有地形因子視為一個(gè)整體加以綜合分析來反映地表的起伏變化。地形因子也可制約生態(tài)因子的空間分布從而影響區(qū)域內(nèi)的生態(tài)環(huán)境。因此研究其在一定范圍內(nèi)的分布特征與分布規(guī)律等對(duì)區(qū)域內(nèi)災(zāi)害防治與水土保持工作具有重要意義及應(yīng)用價(jià)值。本文的研究目標(biāo)在于揭示不同坡面地形因子作用下該區(qū)域地形的變化，分析該區(qū)域在基本地形因子影響下水土流失與土壤侵蝕趨勢(shì)，為榆中縣水土保持與生態(tài)環(huán)境保護(hù)工作提供科學(xué)指導(dǎo)。

1 研究區(qū)概況

選取地處東經(jīng)103°49′15″～104°34′40″，北緯35°34′20″

～36°26′30″的榆中縣作為研究區(qū)。該區(qū)位于黃土高原西部，隸屬甘肅省蘭州市，海拔1480～3670m，地質(zhì)構(gòu)造上屬于祁呂賀蘭山字型構(gòu)造的西側(cè)，地勢(shì)南高北低，中部較凹，呈典型馬鞍狀。榆中縣面積3301.64km2。其中，黃河流經(jīng)蘭州盆地后入榆中縣境東流。年均氣溫6.7℃，降水量少，區(qū)域內(nèi)差異大，主要在300～600mm，屬于溫帶半干旱氣候。該區(qū)域自然災(zāi)害頻繁，水土流失現(xiàn)象較嚴(yán)重。

2 數(shù)據(jù)來源與方法

2.1 數(shù)據(jù)來源與預(yù)處理 本文采用空間分辨率30m×30m的DEM為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，于地理空間數(shù)據(jù)云網(wǎng)站獲取。將得到的DEM數(shù)據(jù)在ArcGIS10.2中進(jìn)行拼接，用1∶400萬榆中縣矢量邊界去裁剪拼接后的DEM數(shù)據(jù)，獲得榆中縣的DEM數(shù)據(jù)。

2.2 研究方法

2.2.1 坡度 坡度是指坡面的傾斜與陡峭程度。利用榆中縣DEM數(shù)據(jù)，在Arcgis10.2中打開Arc Toolbox，運(yùn)用3D Analyst工具模塊下的柵格表面中的坡度工具實(shí)現(xiàn)對(duì)該區(qū)域坡度這一參數(shù)的提取。

2.2.2 坡向 坡向是指斜坡的朝向，是另一個(gè)重要的地形因素[5]。分別是以北為0°，順時(shí)針遞增，東為90°，南為180°，西是270°的定量描述，以北、東北、東、東南、南、西南、西、西北和陰坡、陽坡的定性方法對(duì)其描述。坡向的提取同樣是通過ArcGIS10.2中3DAnalyst工具下柵格表面中的坡向工具得出，輸入的數(shù)據(jù)為坡度DEM數(shù)據(jù)。對(duì)求取的坡向進(jìn)行分類并算出各個(gè)坡向占榆中縣總面積的比例。

2.2.3 剖面曲率 剖面曲率是影響垂直方向坡形變化的主要因子，它對(duì)區(qū)域土壤的凈侵蝕量或凈累積量產(chǎn)生直接影響[6]。對(duì)剖面曲率的提取實(shí)際上是對(duì)DEM進(jìn)行坡度的二次求取，即對(duì)坡度層再求坡度。在Arcgis中激活坡度數(shù)據(jù)，在ArcToolbox中利用[Derive Slope]命令工具生成剖面曲率。

2.2.4 地表粗糙度 地表粗糙度是指在一個(gè)特定的區(qū)域內(nèi)，地表單元的曲面面積與水平面上的投影面積之比[7]。它反映了地表形態(tài)的起伏變化和侵蝕程度。在Arc Toolbox下選擇空間分析工具，然后選擇地圖代數(shù)中的柵格計(jì)算器工具。在柵格地圖計(jì)數(shù)器中輸入公式R=1/Cos（[Slope of DEM]*π/180），選擇輸出位置，單擊確定按鈕，即可得到地表粗糙度的層面。

2.2.5 高程變異系數(shù) 高程變異系數(shù)是反映地表一定距離范圍內(nèi)，高程相對(duì)變化的指標(biāo)[8]，是高程標(biāo)準(zhǔn)差與平均值比值的結(jié)果。計(jì)算公式為cv=s/`x（其中，cv：高程變異系數(shù)，s：高程標(biāo)準(zhǔn)差，`x：平均值）。

3 結(jié)果與分析

3.1 一階坡面因子分析

3.1.1 坡度 坡度可反映區(qū)域地面的起伏程度，榆中縣坡度變幅為0°～70.7213°，依據(jù)《土壤侵蝕分類分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)》中對(duì)地面坡度分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，將坡度分為6個(gè)等級(jí)（0°～5°、5°～8°、8°～15°、15°～25°、25°～35°、>35°）[9]。對(duì)榆中縣每個(gè)級(jí)別的坡度進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，求每個(gè)級(jí)別的坡度占總范圍百分比，可得8°～15°占比最大，>35°占比最小。表明該區(qū)域內(nèi)隨著坡度的不斷增大，所占范圍呈先減小后增大再減小的態(tài)勢(shì)，平坡、緩坡、斜坡、陡坡均有分布，以緩坡為主（圖1）。

3.1.2 坡向 坡向反映斜坡所面對(duì)的方向，即坡面的朝向，根據(jù)坡面法線在水平面上投影的方向的不同，將坡向分為平地、北、東北、東、東南、南、西南、西、西北9個(gè)方向[10]。統(tǒng)計(jì)出每個(gè)級(jí)別的坡向面積所占榆中縣總面積的比例。其中陽坡占總面積的45.04%，陰坡占榆中縣總面積的53.87%。陽坡接受太陽輻射能多，溫度條件較好，但水分狀況比陰坡差，因此植被覆蓋度低于陰坡。陰坡土壤水分蒸發(fā)較慢，水土保持功能較好，易形成森林，如研究區(qū)內(nèi)興隆山陰坡、半陰坡生長(zhǎng)著茂密的山地暗針葉林。

3.2 二階坡面因子分析 剖面曲率能較為準(zhǔn)確刻畫局部地形曲面特征，在坡度坡向因子作用下，剖面曲率將影響區(qū)域水流速度，進(jìn)而將影響到土壤侵蝕和沉積。剖面曲率越大，地形起伏程度越大，地形變化越大，水土流失越容易發(fā)生。在剖面曲率輸出中，該區(qū)域無值為負(fù)，所求得該像元的表面開口朝上凹入。41.25%的區(qū)域在曲率值在0～0.46，地形起伏變化較小，水土流失較輕；11.99%的區(qū)域介于1.50～4.90，表明該片區(qū)域地形起伏變化較復(fù)雜（表1）。

3.3 復(fù)合坡面因子分析

3.3.1 地表粗糙度 地表粗糙度可反映出地表的起伏變化和侵蝕程度，榆中縣地表粗糙度的變幅為1～4.39377?？h域北、東邊以及西南部分區(qū)域，地表粗糙度值較大。在GIS中通過自然間隔點(diǎn)分級(jí)法，得出榆中縣地表粗糙度處于1～1.023之間占49.10%，1.023～1.079之間占33.14%，1.079～1.146之間占11.95%，1.146～1.32之間占5.49%，>1.32占0.33%。統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明，榆中縣地表粗糙度隨著值的上升，所占范圍不斷減小（圖2）。

3.3.2 高程變異系數(shù) 地形高程變異系數(shù)可表示地面高程變化和地面起伏頻率的大小，是宏觀尺度上的地形指標(biāo)之一[11]。榆中縣地形高程變異系數(shù)的變幅為0～0.0912272，整體而言，該區(qū)域地形高程變異系數(shù)值分布較為均勻。在ArcGIS中通過自然間斷點(diǎn)分級(jí)法將該區(qū)高程變異系數(shù)分為6級(jí)，0～0.0096之間占11.62%，0.0096～0.0175之間占33.42%，0.0175～0.025之間占30.13%，0.025～0.034之間占16.53%，0.034～0.048之間占6.69%，0.048～0.0912272之間占1.62%。因此該區(qū)域隨著地形高程變異系數(shù)值的不斷增大，范圍呈先增大后減小趨勢(shì)，在0.0096～0.0175之間所占比例最大，而最小范圍出現(xiàn)最后一級(jí)即介于0.048～0.0912272（圖2）。

4 結(jié)論與討論

4.1 結(jié)論 本文基于GIS軟件與DEM數(shù)據(jù)對(duì)研究區(qū)坡面地形因子進(jìn)行提取與分析，通過對(duì)其提取方法與過程及反映的區(qū)域特征進(jìn)行分析與闡述，得出以下幾點(diǎn)結(jié)論：（1）通過分析坡度、坡向、剖面曲率、地表粗糙度、高程變異系數(shù)的地形因子，直觀凸顯了榆中縣各坡面地形因子的分布情況；從坡向的變化可以看出本研究區(qū)的植被具有明顯的過渡性特征；地形變化的復(fù)雜程度隨著地表粗糙度及高程變異系數(shù)的不同而表現(xiàn)出不同的變化趨勢(shì)。（2）對(duì)坡面地形因子按比例分析來定量化描述本區(qū)域可能因坡面地形因子導(dǎo)致侵蝕問題的嚴(yán)重性，加之該區(qū)涵蓋黃土高原石質(zhì)山地、丘陵溝壑及川原河谷盆地多種地貌形態(tài)，總結(jié)得出本研究區(qū)生態(tài)環(huán)境脆弱，水土流失現(xiàn)象嚴(yán)重。（3）依據(jù)差分計(jì)算階數(shù)分類體系進(jìn)行基本地形因子分析，結(jié)構(gòu)較為清晰，為開展多地形因子間量化關(guān)系的進(jìn)一步研究提供了思路。

4.2 討論 地形特征的形成是長(zhǎng)期地貌作用的結(jié)果[12]，本文僅選取5個(gè)特征因子進(jìn)行研究，具有一定片面性，如能更多地結(jié)合其他地形因子，將能更進(jìn)一步反映研究區(qū)地形信息。另一方面，對(duì)于地形因子的提取與算法的差異會(huì)導(dǎo)致不同的結(jié)果，今后應(yīng)集中對(duì)多軟件的綜合提取對(duì)比分析進(jìn)行深入研究。

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（責(zé)編：張宏民）